Automatización de una Planta de Fabricación de Arroz con leche

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1 Automatización de una Planta de Fabricación de Arroz con leche G. González Filgueira, F. J. Rodríguez Permuy Escuela Politécnica Superior. C/Mendizábal s/n Ferrol, Universidad de A Coruña, España. Resumen La industria precisa cada vez más de sistemas susceptibles de ser automatizados. Pero la automatización implica también la utilización óptima de los recursos ya presentes en un sistema. En este artículo se presenta la automatización de integral del proceso de fabricación de arroz con leche en una planta de productos lácteos correspondiente a una PYME dedicada al sector de servicios-alimentación. En este caso la planta objeto de automatización consta de una zona de llenado, una zona de cocción, y una zona de vaciado y una zona de retorno. Para ello, se ha procedido al empleo de tres autómatas programables utilizando el protocolo Maestro-Esclavo mediante comunicación Profibus. Este sistema puede ser extendido a plantas que cuenten con otros procesos de fabricación, como pueden ser yogures, queso, nata, mantequilla, postres o bien en plantas que se dediquen específicamente a la fabricación del arroz con leche comercial. Se utiliza un Sistema de Adquisición de Datos (SCADA) para corroborar el correcto funcionamiento del proceso. Palabras clave Automatización, Planta de fabricación, Control, Profibus, Autómatas Programables, SCADA. C I. INTRODUCCIÓN UANDO se trata de automatizar un sistema, se utilizan técnicas y equipos para el gobierno del citado proceso, de tal forma que ese sistema funcione de forma autónoma, con poca o ninguna intervención humana [1]. Pero la automatización de cualquier proceso, no sólo implica un funcionamiento autónomo, sino que además debe conllevar un uso óptimo de los recursos presentes en el sistema [2]. En España existen algunas industrias de alimentación de fabricación de arroz [3] con manufacturación manual en la mayor parte de sus fases, pero con escasa implantación de automatización [4] de sus procesos salvando el proceso de envasado (Fig.1). En este caso la planta objeto de automatización consta de una zona de llenado, una zona de cocción, y una zona de vaciado y una zona de retorno. El objetivo del presente proyecto, busca una automatización integral de todo el proceso de fabricación contemplado en las zonas anteriores. Esto aporta no sólo un sentido de originalidad al proyecto, sino que implica un ahorro de costes, especialmente en momentos como los actuales en los que la materia prima que es el arroz experimenta un crecimiento de coste bastante considerable. De este modo se persigue: a) Automatizar íntegramente un proceso que tradicionalmente se estaba realizando de forma manual en alguna de sus fases, reduciendo los costes que esto conlleva. b) Con esta solución de automatización también se logra reducir el tiempo de los tratamientos previos de los ingredientes, ya que éstos se realizarán de forma automática y a la vez. c) Permitir la posibilidad de supervisión y control de todo el proceso desde un ordenador, mediante un SCADA HMI [5]. Para lograr los citados objetivos se parten de los siguientes requisitos: a) El proceso de producción empleado será secuencial por lotes, con una producción aproximada de 1000 tarrinas por lote. b) Todo el sistema será controlado desde un panel de operario diseñado para la aplicación. II. MÉTODO EMPLEADO El campo del control distribuido [6], en la actualidad, esta vinculado a procesos productivos complejos o aplicaciones industriales [7] donde el flujo de información se puede dividir en grupos de procesos o áreas funcionales susceptibles de ser definidas por un algoritmo de control que pueda realizarse de forma autónoma. A cada unidad se destinará un elemento de control, un autómata programable [8], dimensionado de acuerdo con los requerimientos del proceso considerado. Debido a la interdependencia que existe entre las operaciones que tienen lugar en cada proceso, hay que tener en cuenta que es necesario interconectar los autómatas entre sí mediante entradas y salidas digitales, o a través de una red de comunicaciones para intercambio de datos y estados. Por Fig. 1. Tarrina de arroz con leche

2 Preparación Leche Almacenamiento Trat. Térmicos Precalentamiento Ingredientes ESCLAVO 1 S7-200 MAESTRO S7-300 Preparación Mezcla y Envasado Cocción Ingrediente Enfriamiento Envasado Fig. 2. Descripción General del proceso Preparación Arroz Almacenamiento Pesaje Limpieza Escaldado ESCLAVO 2 S7-200 tanto, el autómata o elemento de control evaluado debe permitir las comunicaciones. Esto permite optimizar el proceso productivo total. En esta línea se muestra el presente trabajo. Para ello se han empleado tres autómatas de la serie S7 de SIEMENS utilizando el protocolo Maestro-Esclavo mediante comunicación Profibus [9]. Concretamente se emplea un S DP como maestro y dos CPU S7-224 como unidades esclavas, junto con los módulos EM 277 PROFIBUS DP, para la comunicación Profibus de los S7-200, y los módulos de ampliación EM 223 de entradas y salidas digitales y EM 231 de entradas y salidas analógicas, que sean necesarios. El proceso de fabricación del arroz con leche [10] (Fig. 2) se ha dividido en tres grandes bloques: Bloque Arroz (controlado por una unidad S7-200), Bloque Leche (controlado por una unidad S7-200) y Bloque Mezcla y Envasado (controlado por la unidad S7-300). Dos de estos bloques, Bloque Arroz y Bloque Leche se comenzarán a ejecutar a la vez para realizar los tratamientos previos en el arroz y la leche que sean necesarios, y a su finalización, confluyen en el tercer bloque, Bloque Mezcla y Envasado, que consistirá en el preparado de la mezcla del arroz con leche, su cocción y el posterior envasado de la misma. El proceso de producción empleado para la fabricación del arroz con leche será secuencial por lotes, con una producción aproximada de 1000 tarrinas por lote. La receta a seguir para la elaboración de este producto a nivel industrial varía de unas marcas comerciales a otras, según cada fabricante (Tabla 1). Todo el sistema podrá ser controlado desde el panel de operario diseñado para la aplicación. En cuanto al sistema SCADA de control, se ha escogido como software WinCC de SIEMENS. El SCADA se conecta a la unidad Maestra mediante conexión MPI, la cual comparte propiedades con la TABLA I. INGREDIENTES PARA FABRICACIÓN DE 1 LOTE (1000 TARRINAS) INGREDIENTE CANTIDAD Arroz 26 kilogramos Leche 126 litros Azúcar 25 kilogramos Canela en polvo 300 gramos Esencia de limón 310 gramos red Profibus y viene integrada en la CPU 314C-2DP elegida como Maestro. Todo proceso que se pretende automatizar puede descomponerse para su análisis en dos partes: una parte operativa, que comprende las acciones que determinados elementos, como motores, cilindros neumáticos, válvulas, etc., realizan sobre el proceso; y una parte de control, que programa las secuencias necesarias para la actuación de la parte operativa. De partida el sistema que se propone debe permitir: a) Reducir la presencia humana desde un único punto de control y que podrá simultanear con otros procesos. b) Sincronizar los distintos procesos que puedan existir con objeto de mejorar la eficiencia del sistema, lo que repercutirá en los costes de producción y en los niveles de calidad obtenidos en el proceso de control. c) Minimizar errores humanos disponiendo al operador de la información precisa y puntual acompañada de un conjunto de registros y alarmas. La implementación del sistema de control tendrá dos aspectos fundamentales: el hardware y el software utilizado. Se busca un sistema que sea abierto, de uso general, que mediante programación pueda cumplir los requisitos necesarios para poder controlar los diferentes procesos. Por lo tanto, se garantiza el objetivo de funcionamiento de la planta. III. DESCRIPCIÓN PLANTA PROCESO A CONTROLAR El sistema de control debe gobernar todos los dispositivos que intervienen en el proceso de fabricación de arroz con leche y supervisar su correcto funcionamiento. Se ha de disponer de un programa para su funcionamiento automático y para las situaciones de emergencia, además de un sistema de control y gestión de información, apoyado en registros y alarmas que faciliten la supervisión del proceso en tiempo real y la toma de decisiones humanas si fuese necesario. La automatización de la planta de fabricación de arroz con leche se efectuará por medio de una unidad Siemens S7-300 [11], actuando como sistema maestro DP, y dos unidades Siemens S7-200 actuando como unidades esclavas DP. La comunicación entre las tres unidades se realizará a través de una red Profibus de periferia descentralizada (Profibus DP). Cada autómata se encargará de controlar el funcionamiento de cada uno de los tres bloques en los que se divide el proceso: a) El Bloque Leche (Fig. 3) estará controlado por una unidad CPU-224, actuando en calidad de esclavo DP a través del módulo de ampliación EM-277, que se encargará de: Almacenaje la leche suministrada por la central lechera. Tratamiento térmico de dicha leche. Precalentamiento. Adicción de ingredientes necesarios (esencia de limón y canela en polvo) antes de proceder a realizar la mezcla. b) El Bloque Arroz (Fig. 4) estará controlado por una unidad CPU-224, actuando en calidad de esclavo DP a través del módulo de ampliación EM-277, que se ocupará de:

3 Objetivos Características Componentes Aplicaciones GRAFCETs Simulaciones Conclusiones Preparaci ón Leche Almacena miento Trat. Térmicos Precalenta miento Almacenamiento Ingrediente Tratamientos Térmicos s Ingredientes Precalentamiento Fig. 3 Descripción del Bloque Preparación leche. Almacenaje del arroz suministrado por una empresa distribuidora arrocera. Pesaje. Lavado. Escaldado previo a realizar la mezcla. c) El Bloque Mezcla y Envasado (Fig. 5) será el bloque principal del proceso, y estará controlado por la unidad maestra CPU 314C-2DP. Esta unidad además, será la que gobierne todo el sistema de producción, mediante su comunicación con los otros dos esclavos que se ocupará de: Realización de la mezcla entre el arroz escaldado y la leche precalentada. Realización del cocido de la mezcla. Adicción de los ingredientes necesarios para el producto final: azúcar y otros aromas. Llenado de las tarrinas. Termosellado. Etiquetado. Enfriamiento y almacenamiento del producto ya elaborado a espera de su distribución a los puntos de venta. IV. PROTOCOLOS DE COMUNICACIÓN De los bloques en los que se ha dividido el proceso, dos de ellas (preparación de la leche y preparación del arroz) transcurren de modo paralelo asíncrono y al final confluyen en una tercera (mezcla y envasado), por lo cual se concluye que se trata de un sistema distribuido (Fig. 6), adecuado para la implementar el protocolo Maestro-Esclavo. Para la comunicación entre las unidades automáticas de control se he escogido una red PROFIBUS DP, idónea para Almacenamiento Zona de Escaldado Preparaci Objetivos ón Arroz Característica s Componentes Aplicaciones GRAFCETs Simulaciones Conclusiones Sugerencias Bibliografía Zona de Pesaje Zona de Limpieza Fig. 4. Descripción del Bloque Preparación arroz. Almacena miento Pesaje Limpieza Escaldado Objetivos Características Componentes Ingrediente Cocción Zona Enfriamiento Aplicaciones GRAFCETs Simulaciones Ingredient e Enfriamien Conclusiones Sugerencias Zona Cocción to Envasado Zona de Envasado Fig. 5. Descripción del Bloque Mezcla y Envasado. sistemas distribuidos como es el caso de la planta a automatizar en cuestión. Debido a esto, a las dos unidades S7-200 deberán incorporarse sendos módulos de comunicación Profibus EM277 para poder conectarlas a la red gobernada por el Maestro S La red Profibus DP viene integrada en la unidad maestro S7-314-DP. En cada PLC conectado a una red Profibus, debe existir un área de memoria llamada Imagen de proceso o Área de la Periferia. La imagen de Proceso para un Maestro DP está compuesta por los valores de las E/S de todos los equipos de la periferia (en el caso de que un equipo de la periferia sea un esclavo inteligente, solo se almacenarán lógicamente, las E/S que vaya a intercambiar con el maestro, no todas las que tenga). En cambio, para un Esclavo DP inteligente la Imagen de Proceso, constará de las entradas que vaya a enviar y de las salidas que vaya a actualizar el maestro. Como consecuencia, se sabe que en un maestro, la imagen de Proceso debería de ser lo suficientemente grande como para contener las E/S de los esclavos, y en cada esclavo, esta imagen debería ser lo suficientemente grande para contener los datos que deba recibir del maestro o enviar al maestro. En este caso, la forma de establecer la comunicación entre la CPU 314C-2DP empleada en este trabajo, y los esclavos S7-200 es muy sencilla (Fig. 7). Se deberán definir unas áreas de memoria DP, tanto de entrada como de salida, en el momento de configurar el hardware asociado a la unidad Maestra en el Administrador SIMATIC del Software STEP 7. Se debe trabajar con dichas posiciones de memoria de la CPU 314C-2DP para comunicar las estaciones remotas. De esta forma, si se supone que la CPU 314-2DP está trabajando como Maestro y se ha configurado un Esclavo asignándole el byte de salida 4, cada vez que modifique dicho byte, se verán MPI SCADA Proceso dividido en tres bloques SISTEMA DISTRIBUID O Protocolo Maestro - Esclavo S7-300 #2 S7-200 #3 S7-200 #4 Comunicación PROFIBUS - DP Fig. 6. Descripción Protocolos de Comunicación.

4 Fig. 7. Ejemplo de comunicación PROFIBUS DP. reflejadas dichas modificaciones en el esclavo que tiene asignada esa salida. Lo mismo ocurre con las entradas. Si se lee una entrada que ha sido asignada a un Esclavo DP, se estará leyendo la entrada que proporciona dicho Esclavo DP. En el momento de la asignación de entradas, hay que tener claro la cantidad de datos (nº de bytes) que se quieren transmitir. Los PLC s se interconectan mediante la red Profibus-DP, y el maestro se conecta al sistema SCADA (WinCC) mediante el cable PC Adapter (conexión MPI). V. ALGORÍTMO DEL PROCESO En la automatización de una máquina es necesario prever todos los estados posibles: funcionamiento manual o semiautomático, paradas de emergencia, puesta en marcha y además, el propio automatismo debe ser capaz para detectar defectos en la parte operativa y colaborar con el operario o técnico de mantenimiento para su puesta en marcha y reparación, entre otras. La guía GEMMA (Fig.8) muestra los distintos procesos que afectan a la planta. El proceso que se describe en este trabajo es de tipo continuo. Resulta necesario disponer de un algoritmo lo más abierto posible, para poder ser implementado en diferentes PLC s, en función de las necesidades de los clientes y las capacidades del sistema. El GRAFCET de primer nivel (Fig. 9) representa el diagrama de flujo de estados del proceso. La situación de funcionamiento normal se encuentra entre los estados 0 y 1 del GRAFCET G1. En el momento en que se active el pulsador de parada de emergencia, sea cual sea el estado en el que se encuentre, se pasará a la etapa 2 correspondiente al estado de parada de emergencia, mediante el forzado de dicho GRAFCET. El único modo de regresar al estado de funcionamiento normal sería pasando por las etapas sucesivas de preparación tras fallo y puesta en estado inicial. Las etapas de tratamiento posterior a la emergencia, se llevarán a cabo de forma manual por parte de los operarios y personal especializado. En la etapa de funcionamiento automático (F1), se ha implementado el sistema de control de la planta de fabricación de arroz con leche (Fig. 10). Al igual que el GRAFCET general, esta etapa se implementará en el autómata Maestro, que es quien controla el proceso de fabricación, de modo que en determinadas situaciones se darán órdenes a los esclavos para que realicen las aplicaciones que tienen asignadas. Siguiendo los requerimientos del sistema indicados anteriormente, se ha implementado un programa en lenguaje de contactos que satisfaga dichas especificaciones [11][12]. VI. RESULTADOS Se precisa establecer una simulación de la planta mediante un SCADA para comprobar la correcta ejecución del sistema, y poder comparar entre la situación real y la deseada. El panel de operario es fundamental en todo proceso de automatización. En él deben disponerse los dispositivos de control, supervisión y parada de emergencia necesarios para la 2 D1 - EMERGENCIA Desenclave PE D2 - DIAGNÓSTICO Y/O TRATAMIENTO DE FALLOS Rearme A5 - PREPARACION DESPUES DE FALLO Preparación OK A6 - PUESTA EN ESTADO INICIAL Reinicio A1 ESTADO DE REPOSO (Modo Espera) Marcha F1 - Funcionamiento Automático FinCiclo + Error Fig. 8. Guía GEMMA del proceso. G Pulsador PE (D1-EMERGENCIA) F/G1:{X2} D1-EMERGENCIA G0 Fig. 9. GRAFCET general del proceso.

5 Fig. 10. Etapa F1 de funcionamiento automático. gestión integral del proceso. En ningún caso se considera que los sistemas SCADA sustituyen al panel de operario. Aunque haya aplicaciones gobernadas mayoritariamente por SCADA s, el panel de operario deberá existir y contener al menos el pulsador manual de parada de emergencia. En este caso se ha optado por un diseño como el mostrado en la Fig. 11. Al activar el pulsador Marcha se inicia la producción de 1 lote (1000 tarrinas de arroz con leche apx.). El Maestro inicializa los LED s del panel encendiendo primeramente Leche No Iniciado, Arroz No Iniciado y Mezcla No Iniciado, permaneciendo apagados el resto de los indicadores. Inmediatamente después se comprueba la comunicación con los esclavos y visualiza los resultados de comunicación activando los LED s que procedan en el área COMUNICACIONES (LED Verde= Comunicación OK, LED Rojo=Fallo en comunicación), especificando si falla la conexión con el Esclavo Leche y/o con el Esclavo Arroz. Si hay fallo de comunicación, además de encender los indicadores oportunos, se cancela la orden de producción, regresando de nuevo al estado inicial de reposo en espera de que se vuelva a activar el pulsador de MARCHA. Si no hay problema de comunicación, se pasa a comprobar niveles. El Maestro ordena a cada esclavo que compruebe el estado de los sensores de nivel de los ingredientes que están bajo el control de cada uno. Cada autómata (Maestro, Esclavo Leche y Esclavo Arroz) controla un bloque de los tres que integran el proceso de fabricación; por lo tanto controlan la maquinaria y sensores del bloque que se trate. Los esclavos tras comprobar los niveles, remiten la información al Maestro para que éste visualice los resultados en el panel de operario y se tomen las acciones oportunas en caso de error. Cada nivel a chequear dispone de dos LEDs, verde y rojo, para indicar si se alcanza o no dicho nivel respectivamente. Si no se detecta nivel mínimo en alguno de los ingredientes comprobados, se encenderá su LED rojo y el sistema cancelará la orden de producción, regresando al estado inicial en espera de que se reponga el ingrediente y se vuelva a pulsar MARCHA. Cuando todos los niveles sean correctos se pasa a inicializar la maquinaria de cada bloque y se comienza el proceso. En primer lugar se iniciará el Bloque Leche. La leche comienza su preparación para la mezcla (Fig. 12), y el Esclavo Leche enviará constantemente información de la fase en la que se encuentra la leche, para que el Maestro actualize los indicadores del panel de operario. Cada bloque en Proceso consta de varias etapas. La secuencia de funcionamiento normal sería pasar a los tratamientos térmicos (y se encendería el LED Tratamientos Térmicos a la vez que permanece activado el LED En Proceso ) y si la leche no supera con éxito los tratamientos térmicos se activará el LED Leche Descartada en Tratamientos Térmicos indicativo de error en proceso. A continuación se pasa a la fase de Precalentamiento. Simultáneamente se da la orden al Esclavo Arroz de comenzar su aplicación, por lo que se activará el LED Arroz En Proceso. El bloque arroz puede originar un error si el agua de escaldado del arroz no cumple con el nivel de higiene y salubridad medido por medio de su turbidez. A medida que vayan transcurriendo las fases de cada bloque, se irán Fig. 11. Panel del operario. Fig. 12. Bloque de Mezcla y envasado.

6 actualizando los LED s, hasta que se llegue a tener activos a la vez Arroz Preparado y Leche Preparado, (al activarse los indicadores Preparado se desactivan los LED s En Proceso ), momento en el que el Maestro da la orden de trasvasar la leche y el arroz hacia el tanque de mezcla para iniciar la cocción (Fig. 13). Durante el tiempo que transcurra en trasvasarse la leche y volcarse el arroz al tanque de cocción, permanecerán encendidos los LED s Volcado a Mezcla y cuando se finalice se activará Concluido. En este momento, comienza el bloque Mezcla, activándose el LED en Proceso (y desactivándose, por tanto, el LED No iniciado ), junto con el LED Cocción Mezcla para indicar que se ha iniciado la cocción conjunta del arroz con la leche. Transcurridos 20 minutos desde que se inicia la cocción, se añadirá el ingrediente 3 (azúcar o edulcorante), encendiéndose a su vez, el LED Añadiendo Ing. 3. En el instante en el que se alcanza la viscosidad idónea para las propiedades del producto final, se parará la cocción y se trasvasará la mezcla a la zona de enfriamiento. Durante 5 minutos, se procederá al enfriamiento del producto a una temperatura de 17º C en el tanque TLL (se activa el LED Enfriamiento ). Transcurrido el tiempo de enfriado, se procede a llenar las tarrinas en la etapa de envasado. La etapa de envasado, incluye el proceso de llenado de envases, su termosellado y posterior etiquetado lateral. Llegado a este punto se ha finalizado la producción, y el maestro activa el sistema de limpieza automática del proceso (se activa el LED Sistema de limpieza ). Una vez haya concluido el sistema de limpieza, el maestro actualizará el panel de operario encendiendo el LED de Limpieza Concluida. El sistema estará preparado para la producción del siguiente lote. Fig. 13. Detalle etapa de cocción. VII. CONCLUSIONES En este artículo se ha presentado un sistema de automatización para la automatización de fabricación de arroz con leche. En el diseño del presente sistema, se ha conseguido la creación de un sistema de control que permite gobernar todos los dispositivos que intervienen en el proceso de fabricación del arroz con leche. Además se ha llevado a cabo una producción secuencial por lotes, en la que se puede ajustar el número de tarrinas que contiene cada lote según las necesidades, y en función del volumen de los tanques empleados. Se ha implementado un sistema de supervisión y control a tiempo real que permita al operario interactuar con el proceso (Panel de operario). Además existe la posibilidad de implementar un control SCADA paralelo al panel de operario, sin necesidad de modificar la programación. Por ultimo, además de la parada de emergencia, imprescindible en todo proceso industrial, se ha logrado un tratamiento automático de una serie de errores, que pueden solucionarse sin la intervención el operario. AGRADECIMIENTOS Este trabajo ha sido parcialmente financiado por la Xunta de Galicia con referencia 08DPI033E. REFERENCIAS [1] Hans H. Eder, Management and process control: a permanently open loop?, Control Engineering Europe, Control, Instrumentation and Automation in the Process and Manufacturing Industries, pp , Nov/Dec [2] A. Speck, Reusable industrial control systems, IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 50, pp , June [3] Gèosta Bylund, M.; López Gómez, A. Manual de Industrias Lácteas. Tetrapack. A Madrid Vicente Ediciones [4] Tze Ying Sim; Fang Li; Vogel-Heuser, B. "Modules, version and variability management in automation engineering of machine and plant manufacturing," Emerging Technologies and Factory Automation, ETFA IEEE International Conference on, vol., no., pp.46-49, Sept [5] Carlberg, P.J.; Feord, D.M.; "Online model based optimization and control of a reactor system with heterogeneous catalyst," American Control Conference, Proceedings of the 1997, vol.3, no., pp vol.3, 4-6 Jun [6] Garcia, J.; Palomo, F.R.; Luque, A.; Aracil, C.; Quero, J.M.; Carrion, D.; Gamiz, F.; Revilla, P.; Perez-Tinao, J.; Moreno, M.; Robles, P.; Franquelo, L.G.;, "Reconfigurable distributed network control system for industrial plant automation," Industrial Electronics, IEEE Transactions on, vol.51, no.6, pp , Dec [7] Mescia, N. C.; Woods, C. D.; "Plant Automation in a Structured Distributed System Environment," IBM Journal of Research and Development, vol.26, no.4, pp , July [8] Mayol i Badía, Albert. Autómatas programables. Marcombo, D.L [9] Sempere Payá, Victor M..; Cerdá Fernández, S.; "Comunicaciones industriales con Simatic S7" Universidad Politécnica de Valencia [10] Canales García, E.; Optimización de la formulación de arroz con leche deshidratado, Tesis Doctoral. Instituto Tecnológico de Durango. México, [11] G. Frey and L. Litz, Formal methods in PLC programming, in Proc. IEEE Conf. Systems, Man and Cybernetics (SMC), 2000, pp [12] Berger, Hans. Automating with STEP 7 in LAD and FBD: programmable controllers SIMATIC S7-300/ rd ed. rev. and extended. Publicis Corporate Publishing, 2005.

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